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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle, insbesondere für Beleuchtungen von Kraftfahrzeugen, bestehend aus lichtemittierenden Dioden (LEDs) mit einem Einkristall, welcher an einer Seite mit einer Abdeckung aus einem transparenten Material bedeckt ist, und an der anderen Seite mit einem Anoden-Kontaktelement zur Bereitstellung von Gleichstrom und einem Kathoden-Kontaktelement zur Ableitung von Gleichstrom ausgestattet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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LED-Lichtquellen werden weiterhin in großer Stückzahl und in vielen verschiedenen Ausführungen für Beleuchtungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. LEDs bestehen häufig aus einem Einkristall, dessen Anoden- und Kathodenleitungen von einer Leiterplatte stammen, welche die Stärke des bereitgestellten elektrischen Stroms steuert, um eine Überhitzung der LEDs sowie Verkürzung ihrer Lebensdauer zu verhindern.
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Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hinreichende Kühlung der LEDs zu gewährleisten. Es ist eine bekannte Tatsache, dass sich die Kathodenleitung von einer LED einige Male mehr aufheizt als die Anodenleitung. Aus diesem Grund besteht eine Weise zur Gewährleistung einer hinreichenden Kühlung in einem Temperaturausgleich zwischen dem Kathodenteil und dem Anodenteil der LED. Da der Temperaturausgleichskörper gegenüber dem Anodenteil und dem Kathodenteil der LED elektrisch isoliert sein muss, ist die Wärmeteilung zwischen dem Kathodenteil und dem Anodenteil der LED und dem Temperaturausgleichskörper begrenzt.
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Ein größeres Hindernis bei der Bereitstellung einer hinreichenden Kühlung der LEDs besteht aufgrund der Leiterplatten an sich, welche ein direktes Kühlen der LEDs verhindern. Indem sich die Lichtausbeute der LEDs erhöht, erhöht sich dementsprechend die Notwendigkeit große Mengen an Wärme abzuführen, welche moderne LEDs abgeben. Daher haben LEDs aufgrund der unzureichenden Kühlung eine begrenzte Lebensdauer.
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Vorrichtungen, insbesondere Beleuchtungen für Kraftfahrzeuge, in welchen LEDs als Lichtquellen eingesetzt werden, sind bei ihrem Betrieb hohen Umgebungstemperaturveränderungen ausgesetzt. Diese Umgebungstemperaturveränderungen sind ebenfalls durch intensive Kühlung der LEDs zu überwinden. Es gibt eine Reihe von im Stand der Technik bekannten technischen Ausführungen, welche das Ziel verfolgen, die Kühlung von Lichtquellen zu verbessern, welche aus LEDs bestehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 036 931 A1 zeigt den Scheinwerfer von einem Kraftfahrzeug mit einer Lichtquelle, welche in Reihe angeordnete LED-Chips enthält. Das Konstruktionsprinzip gemäß dieser Druckschrift besteht darin, dass das Anoden-Kontaktelement und das Kathoden-Kontaktelement, welche eingesetzt werden, um Strom weg von bzw. hin zu jedem Chip zu führen, aus speziellen Kühlkörpern in Form von voneinander isolierten Platten bestehen, welche Strom führen und gleichzeitig Wärme aus dem Chip abführen. Die Plattenkühlkörper zur Kühlung der LED-Chips sind parallel nebeneinander angeordnet und elektrisch voneinander isoliert. Die LED-Chips sind entlang der lateralen Seiten der Plattenkühlkörper derart angeordnet, dass das Anoden-Kontaktelement von allen Chips der Lichtquelle ein Plattenkühler ist, mit welchem alle einzelnen Chips mittels elektrisch leitfähiger Drähte verbunden sind, und das Kathoden-Kontaktelement von allen Chips der Lichtquelle ein weiterer Plattenkühler ist, mit dessen lateralen Seiten die Chips der Lichtquelle direkt verbunden sind. Die Plattenkühlelemente werden zur Bereitstellung und Abführung von Strom ohne eine eingesetzte Leiterplatte verwendet. Die elektrisch isolierten Plattenkühler, deren große Hauptflächen nebeneinander angeordnet sind, übertragen Wärme ohne Weiteres von dem Kathoden-Plattenkühler, welcher sich stärker aufheizt, an den Anoden-Plattenkühler. Die Summe der von den beiden Plattenkühlern abgeführten Wärme ist allerdings niedrig, wodurch sich eine Überhitzung der LED-Chips sowie eine verkürzte Lebensdauer derselben ergeben.
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Die Druckschrift
US 2004/0052077 A1 offenbart eine lichtemittierende Diode (LED), deren Anodenausgang in Form von einem Anodensteg und deren Kathodenausgang in Form von einem Kathodensteg ausgebildet ist. Die Stege sind elektrisch voneinander isoliert und erstrecken sich in freie Arme zur Wärmeabfuhr. Jeder freie Arm verläuft durch eine horizontale Leiterplatte zur Steuerung der LED und ist an seinem Fuß mit den leitenden Schaltungen der horizontalen Leiterplatte mittels einer Kontaktverbindung verbunden. Eine Wärmeausgleichsvorrichtung wird mittels eines elektrisch nicht-leitfähigen Klebemittels an der Kathodenplatte sowie an der Anodenplatte befestigt, um überschüssige Wärme von der Kathodenseite zu der Anodenseite zu übertragen, und gewährleistet außerdem Luftkühlung mittels der freien Arme. Ein Nachteil der LEDs besteht allerdings darin, dass deren geringe Wärmeabfuhrfähigkeit von der Quelle, da die freien Arme der Stege Teil der Leiterplatte sind, und ihre Größe, Gewicht und Materialauswahl begrenzt sind. Somit ist die Wärmeabfuhr aus der LED unzureichend.
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Die Druckschrift
EP 1 139 439 A1 zeigt eine lichtemittierende Diode (LED), welche aus einer Seite aus einer Leiterplatte besteht, um eine kontrollierte Bereitstellung von Strom an die LED sowie die Abfuhr von Strom zu ermöglichen. Der Anodenausgang des Einkristalls der LED ist mit dem Anoden-Kontaktelement der Leiterplatte über einen elektrisch leitfähigen Draht verbunden. Der Kathodenausgang des Einkristalls der LED besteht aus einem elektrisch leitfähigen Fuß der LED, welcher mit dem Kathoden-Kontaktelement der Leiterplatte verbunden ist. Der elektrisch leitfähige Fuß, welcher mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung ausgestattet ist, verläuft durch die Leiterplatte und erstreckt sind in ein Plattenkühlelement zum Ausgleich und zur Abfuhr von Wärme aus der LED. An der Seite, welche von der Leiterplatte abgewandt ist, ist das Plattenkühlelement mit Kühlrippen ausgestattet. Wärme wird von dem elektrisch leitfähigen Fuß der LED-Lichtquelle unzureichend abgeführt, da zwischen dem elektrisch leitfähigen Fuß und dem Plattenkühlelement eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein muss. Das Plattenkühlelement führt hauptsächlich Wärme von der Leiterplatte ab, und kann somit nicht für LEDs eingesetzt werden, deren Stromverbrauch nicht durch eine Leiterplatte gesteuert wird.
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Bekannte Nachteile des Standes der Technik besehen in der unzureichenden Abführung von Wärme aus den LEDs und einer komplexen strukturellen Anordnung zur Kühlung der LEDs, welche sich negativ auf die Lichtleistung und Lebensdauer der LEDs auswirken.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines einfachen und vielseitigen Kühlers von einer LED-Lichtquelle, welcher eine hohe Wärmeabführfähigkeit aufweist, selbst bei Vorhandensein einer größeren Anzahl von in Gruppen angeordneten LEDs, welche höhere Lichtausbeuten und eine längere Lebensdauer der LEDs ermöglichen.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Nachteile des Standes der Technik können im Wesentlichen beseitigt werden und das Ziel der Erfindung wird durch eine Lichtquelle erreicht, welche aus lichtemittierenden Dioden (LEDs) mit einem Einkristall besteht, welcher an einer Seite mit einer Abdeckung aus einem transparenten Material bedeckt ist, und an der anderen Seite mit einem Anoden-Kontaktelement zur Bereitstellung von Gleichstrom und einem Kathoden-Kontaktelement zur Abführung von Gleichstrom ausgestattet ist, wobei die erfindungsgemäß in Reihe angeordneten LEDs mit ihren Anoden-Kontaktelementen mit einer elektrisch und thermisch leitfähigen Leiterplatte verbunden sind, und mit ihren Kathoden-Kontaktelementen mit einer weiteren elektrisch und thermisch leitfähigen Platte verbunden sind, wobei die voneinander isolierten Kühlplatten mit ihren lateralen Seiten nebeneinander angeordnet sind und auf den Flächen, welche von den LEDs abgewandt sind, mit Kühlelementen zur Übertragung von Wärme an das Kühlmedium ausgestattet sind.
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Die Kühlelemente können vorzugsweise aus Anordnungen aus Kühlrippen bestehen, welche an den Seiten der Kühlplatten angeordnet sind, welche von den LEDs abgewandt sind. Die Kühlplatten können vorzugsweise eine flache Anordnung mit einer planaren, runden oder unterbrochenen Form bilden oder können Teil der Wand von einem Kühlkanal mit einem offenen oder geschlossenen Querschnitt sein.
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Die Kühlplatten mit den Kühlrippen bilden zwei Reihen von getrennten Teilen, welche elektrisch voneinander isoliert sind. Die Teile von jeder Reihe sind mittels Schraubverbindungen zu einem großen Teil verbunden, wobei die LEDs anschließend derart eingerichtet werden, dass die Kathoden-Kontaktelemente mit einer Reihe und die Anoden-Kontaktelemente mit der anderen Reihe verbunden sind (welche von der ersten Reihe elektrisch isoliert ist). Zur Befestigung wird ein thermisch und elektrisch leitfähiges Klebemittel eingesetzt. Da die Pads der LEDs direkt auf den Kühlplatten aufliegen und dazwischen keine dielektrische Leiterplatten-Schicht vorhanden ist, wird eine verbesserte Wärmeübertragung von den LEDs direkt an die thermisch leitfähigen Platten und Kühlelemente erzielt, wodurch sich eine Temperatursenkung des Chips auf der LED ergibt.
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Die Kühlplatten bilden einen in zwei Teile getrennten Kühler mit elektrisch isolierten Abschnitten. Die lateralen Seiten der Kühlplatten sind nebeneinander angeordnet.
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Die Kühlplatten können eine flache Anordnung mit einer planaren, runden oder unterbrochenen Form ausbilden, welche aus mehreren einzelnen Platten besteht, welche auf der flachen Seite mit LEDs, und auf der anderen abgewandten Seite mit Kühlrippen zur Übertragung der Wärme an das Kühlmedium, bei welchem es sich vorzugsweise um einströmende Luft handelt, ausgestattet sind.
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Die Kühlplatten können vorzugsweise Teil von einer 3D-Anordnung, z.B. der Wand von einem Kühlkanal mit einem offenen oder geschlossenen Querschnitt mit einer runden, beispielsweise kreisrunden, oder mehreckigen, beispielsweise drei- oder viereckigen, Form sein. Ein Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht in einer erheblichen Erhöhung der Wärmeübertragung von der gesamten Oberfläche der thermisch leitfähigen Platten, welche von den LEDs abgewandt sind. Die Form der thermisch leitfähigen Platten kann so ausgebildet sein, dass diese der Form des Gehäuses der Beleuchtung entspricht und darauf abgestimmt ist, oder die Kühlplatten können den hinteren Teil des Beleuchtungsgehäuses bilden, oder können Teil der Wand von einem Kühlkanal sein, welcher ein geschlossenes oder offenes Profil aufweisen kann. Somit können die Kühlrippen der Kühlwirkung der einströmenden Luft ausgesetzt sein.
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Die Anoden- und die Kathoden-Kontaktelemente der LEDs liegen direkt auf den Kühlplatten auf. Es wird keine elektrisch isolierende Leiterplatte eingesetzt, deren Dielektrikum ein schlechter Wärmeleiter ist, sondern die thermischen Pads der LEDS können direkt auf den Kühlplatten aufliegen. Aus diesem Grund führen die mit den Kühlelementen ausgestatteten Kühlplatten mehr Wärme von den LEDs ab, wodurch sich ihre Lebensdauer erheblich erhöht und die Lichtausbeute gesteigert wird.
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Somit bestehen die Vorteile der erfindungsgemäßen Lichtquelle in der Erhöhung der Wärmeabfuhr aus den LEDs, wodurch sich eine verlängerte Lebensdauer der LEDs ergibt, und einer Erhöhung der Leuchtkraft der LEDs. Weitere Vorteile bestehen in einer Kombination aus der Kühlfunktion der thermisch leitfähigen Platten und der unterstützenden Funktion zur Befestigung der LEDs und der Möglichkeit der Verwendung der thermisch leitfähigen Platten als Teil der Wand des Beleuchtungsgehäuses oder eines Kühlkanals. Ein weiterer Vorteil besteht in dem einfachen Aufbau und der Variabilität des Designs.
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Figurenliste
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Die erfindungsgemäße Lichtquelle wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei
- 1 den Querschnitt von einer Lichtquelle mit den Kühlplatten darstellt;
- 2 den Querschnitt von einer alternativen Ausführung der Lichtquelle darstellt;
- 3 eine Perspektivdarstellung der Lichtquelle ist;
- 4 eine Schnittdarstellung der Lichtquelle mit den Kühlplatten ist, welche die Form von einem Kanal aufweisen.
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Beispielhafte Ausführungsform
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Unter Bezugnahme auf 1 besteht die Lichtquelle aus einer lichtemittierenden Diode (LED) 1, welche einen Einkristall 2 umfasst, welcher an einer Seite mit einer Abdeckung 3 aus einem transparenten Material bedeckt ist, und an der anderen Seite mit einem Anoden-Kontaktelement 4 zur Bereitstellung von Gleichstrom und einem Kathoden-Kontaktelement 5 zur Abführung von Gleichstrom ausgestattet ist. Der Anodenausgang des Einkristalls 2 ist unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Drahts 41 mit dem Anoden-Kontaktelement 4 verbunden, welches mittels eines thermisch und elektrisch leitfähigen Klebemittels 42 mit der Kühlplatte 43 verbunden ist. Der Einkristall 2 ist in dem Gehäuse des Kathoden-Kontaktelements 5 aufgenommen und der Kathodenausgang ist direkt mit dem Kontaktelement 5 verbunden. Das Kathoden-Kontaktelement 5 ist mittels eines thermisch und elektrisch leitfähigen Klebemittels 42 mit der Kühlplatte 53 verbunden. Die Kühlplatten 43, 53 sind durch einen isolierenden Luftspalt 61 voneinander getrennt, nebeneinander angeordnet und bilden beispielsweise eine planare Anordnung.
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Die Kühlplatten 43, 53 sind mit elektrischen Leitungen 49, 59 zur Bereitstellung und Abführung von elektrischen Strom ausgestattet. Die Kühlplatten 43, 53 sind mit dem Stromeingang und dem Stromausgang ohne eingesetzte Leiterplatte verbunden. Eine Leiterplatte, deren Ausgänge mit den Füßen der elektrisch leitfähigen Kühlarme der LEDs verbunden sind, um Strom gemäß dem Arm nach dem Stand der Technik zuzuführen und abzugeben, führt keine Wärme von den LEDs ab und bildet ein räumliches Hindernis. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lichtquelle basiert auf der Erkenntnis, dass kein Ersatz notwendig ist, und der Strom direkt mit den leitfähigen Kühlplatten 43, 45 verbunden werden kann. Aus diesem Grund wird der elektrische Strom erfindungsgemäß direkt durch die elektrischen Leitungen 49, 59 an den segmentierten Kühler übertragen, welcher aus den Anoden- und den Kathoden-Kontaktelementen 4, 5 besteht. Somit wirken die einzelnen Kontaktelemente 4, 5 oder Kühlplatten 43, 53; 45, 55 als Kühler und als Leiterbahn, welche gleichzeitig die Leiterplatte ersetzen.
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Erfindungsgemäß sind die LEDs 1 in einer Reihe angeordnet und ihre Anoden-Kontaktelemente 4 smit einer Kühlplatte 43 und ihre Kathoden-Kontaktelemente 5 mit der anderen Kühlplatte 53 verbunden, wobei die voneinander elektrisch isolierten Kühlplatten 43, 53 mit ihren lateralen Seiten nebeneinander angeordnet sind und auf den Flächen, welche von den LEDs 1 abgewandt sind, mit Kühlelementen zur Übertragung von Wärme an das Kühlmedium ausgestattet sind. Auf der Seite der thermisch fähigen Platten 43, 53, welche von den LEDs 1 abgewandt sind, sind Kühlelemente angeordnet, welche aus Reihen von Kühlrippen 44, 54 bestehen, welche senkrecht von den Seiten der Kühlplatten 43, 53 vorstehen, welche von den LEDs abgewandt sind.
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Die Kühlplatten 43, 45 bilden eine flache Anordnung mit einer planaren Form, welche verwendet wird, um die Reihe der LEDs 1 zu fixieren und gleichzeitig Wärme von den LEDs 1 abzuführen. Die Kühlplatten 43, 53 können ohne Weiteres auf der senkrechten Ebene angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform können die Kühlplatten 43, 53 Teil von einem einzelnen Kühlblock sein, und die Kühlrippen 44, 54 können sich in den Kühlkanal erstrecken, welcher das Kühlmedium bereitstellt.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist die LED 1 mit den Kühlplatten 45, 55 verbunden, welche auf der von der LED 1 abgewandten Seite mit Kontaktflächen 47, 57 für den Flächenkontakt mit Kühlelementen ausgestattet sind, welche aus Reihen von Kühlrippen 46, 56 bestehen, welche an den Seiten der Kühlplatten 45, 55 angeordnet sind, welche von den LEDs 1 abgewandt sind. Die Kühlrippen 48, 58 können in geneigter Weise angeordnet sein, vorzugsweise senkrecht zu den Kühlplatten 45, 55. Zwischen den Kühlplatten 45, 55 und den Kühlelementen sind isolierende Luftspalte 61 zur gegenseitigen elektrischen Isolierung angeordnet.
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3 zeigt die Anordnung der LEDs 1 nebeneinander und die Verbindung ihrer Anoden-Kontaktelemente 4 mit der elektrisch und thermisch leitfähigen Kühlplatte 43 sowie die Verbindung des Kathoden-Kontaktelements 5 mit der elektrisch und thermisch leitfähigen Kühlplatte 53. Die Kühlplatten 43, 53 sind mit Kühlrippen 44, 54 ausgestattet und mittels eines elektrisch isolierenden Luftspalts 61 elektrisch voneinander isoliert.
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Unter Bezugnahme auf 4 sind die Kühlplatten 43, 53 Teil der Wand des Kühlkanals 65, welcher somit aus zwei Teilen besteht, welche elektrisch voneinander isoliert sind. In diesem speziellen Fall sind in die elektrisch isolierten Spalte elektrisch isolierte Einlagen 62 eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED
- 2
- Einkristall
- 3
- Abdeckung
- 4
- Anoden-Kontaktelement
- 41
- verbindender Anodenleiter
- 42
- thermisch und elektrisch leitfähiges Klebemittel
- 43
- Kühlplatte
- 44
- Kühlrippen
- 45
- thermisch leitfähige Platte
- 46
- Kühlkörper
- 47
- Kontaktfläche
- 48
- Kühlrippen
- 49
- elektrische Leitung
- 5
- Kathoden-Kontaktelement
- 52
- leitfähiges Klebemittel
- 53
- Kühlplatte
- 54
- Kühlrippen
- 55
- thermisch leitfähige Platte
- 56
- Kühlkörper
- 57
- Kontaktfläche
- 58
- Kühlrippen
- 59
- elektrische Leitung
- 61
- elektrisch isolierender Spalt
- 62
- elektrisch isolierende Einlage
- 65
- Kühlkanal
